Les nanoparticules sans métaux précieux pourraient servir de catalyseurs puissants à l'avenir, par exemple pour la production d'hydrogène. Pour les optimiser, les chercheurs doivent être capables d'analyser les propriétés des particules individuelles. Une nouvelle méthode pour cela a été suggérée par une équipe du Centre d'électrochimie de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) et de l'Institut de chimie inorganique de l'Université de Duisburg-Essen (UDE).

Le groupe a développé une méthode utilisant un bras robotique qui leur permet de sélectionner des particules individuelles au microscope électronique et de les placer sur une nanoélectrode pour une analyse électrochimique. La méthode est décrite dans la revue Angewandte Chemie , publié en ligne à l'avance le 19 novembre 2020.

Utilisation d'un bras robotique pour déposer des nanoparticules sur l'électrode

Pour les études, les scientifiques ont utilisé des particules d'oxyde de cobalt de forme hexagonale d'un diamètre de 180 à 300 nanomètres, que l'équipe Duisburg-Essen composée du professeur Stephan Schulz et de Sascha Saddeler avait synthétisée. Dans l'expérience, les particules ont catalysé la réaction dite de dégagement d'oxygène. Lors de l'électrolyse de l'eau, de l'hydrogène et de l'oxygène se forment, l'étape limitante de ce procédé étant actuellement la réaction partielle dans laquelle l'oxygène est formé. Des catalyseurs plus efficaces pour la réaction de dégagement d'oxygène simplifieraient l'efficacité de la séparation électrochimique de l'eau sous formation d'hydrogène. Les catalyseurs à nanoparticules sont censés aider à cela. Étant donné que leur activité catalytique dépend souvent de leur taille ou de leur forme, il est important de comprendre les propriétés des particules individuelles afin de trouver les catalyseurs optimaux.

L'équipe de Bochum composée de Thomas Quast, Dr Harshitha Barike Aiyapa, Dr Patrick Wilde, Le Dr Yen-Ting Chen et le professeur Wolfgang Schuhmann ont d'abord analysé des particules d'oxyde de cobalt sélectionnées au microscope, puis électrochimiquement. "À l'aide d'un bras robotique mobile, nous pouvons repérer des nanoparticules individuelles au microscope électronique, " explique Schuhmann. " La particule sélectionnée, que l'on connaît alors déjà au microscope, nous plaçons sur une petite électrode pour tester ce qu'il peut faire comme catalyseur. » Les chercheurs utilisent ensuite des méthodes électrochimiques pour mesurer son activité catalytique pour la réaction de dégagement d'oxygène.

Haute activité catalytique

De cette façon, les chimistes ont analysé plusieurs particules individuelles. Comme ils connaissaient la taille et l'orientation cristalline d'une particule, ils ont pu relier l'activité catalytique au nombre d'atomes de cobalt. "Ici, les particules ont montré des activités remarquablement élevées dans la réaction de dégagement d'oxygène, et les densités de courant mesurées dépassaient de plus de 20 fois les électrolyseurs alcalins disponibles dans le commerce, ", explique Stéphane Schulz.

« Nous pensons qu'en appliquant la méthodologie proposée, l'analyse de particules uniques de matériaux catalytiques a finalement atteint le point de préparation et de caractérisation d'échantillons fiables et relativement simples, qui sont cruciales pour établir des relations structure-fonction, " écrivent les auteurs en conclusion.